高海拔電力變壓器結構和試驗的差異分析

Differential Analysis of Structure and Test of High Altitude Power Transformer

WEI Xiuxiu* WANG Shuailong LIU Jia WANG Xianlei （Shandong Institute for Product Quality Inspection）

Abstract： Highaltitude power transformer isan important partofpower transmission.This paperanalyzes its structure andtest differences，which is of great significance for energy development and construction.Through analyzing the characteristics of high-altitude environment， this paper introduces the infuence on the internal structure and shapeof power transformer intheaspects of the air gapand insulator ininsulation factors，andfuel tank size，cooling method and cooling method of heat disspation factors.It analyzes the differences between high altitude power transformers used in national standards such as GB/T1094.2-2013，GB/T1094.3-2017and GB/T1094.1-2022 and those used under normal conditions in temperature rise test，outer insulation air gap and outer application withstand voltage.

Keywords：power transformer;solar;wind; insulation;cooling

0 引言

能源作為整個世界發展和經濟增長的最基本動力。隨著世界經濟的發展，各國對能源的需求量也越來越大。傳統的煤炭、石油、天然氣等化石能源，帶來了環境污染和能源枯竭的現實壓力。這使得全世界開始關注和發展太陽能、風能等綠色能源。高原地區太陽輻射強、風力大，具有豐富的太陽能和風能資源。高海拔用電力變壓器是電力傳輸的重要組成部分。本文通過對其結構和試驗差異的分析，對能源開發和建設具有重要意義。

1 高海拔環境的特點及對電力變壓器結構的影響

1.1定義

電力變壓器正常使用條件為海拔不超過1000m^[1] 。高海拔地區為海拔高于 1000m 的區域。為適應高海拔環境設計和使用的電力變壓器稱為高海拔用電力變壓器

1.2高海拔環境的特點

隨著海拔的增加，環境條件呈現出空氣稀薄、氣壓低、氣溫低、氣溫日變化大和太陽輻射強等特點，這會給電力變壓器帶來以下影響：（1）電暈，交流電暈起始電壓降低使得電暈現象比平原地區嚴重，電暈會增加電能損耗，使絕緣老化和金屬腐蝕加速；（2）絕緣強度，受空氣介電強度、空氣冷卻效應和弧隙空氣介質恢復強度降低的影響，產品空氣絕緣耐壓降低；（3）溫升，產品散熱困難，會使電力變壓器溫升增加，同時，太陽輻射對物體加熱的作用也會引起較大的附加溫升。據統計，海拔 5000m 的最大太陽輻射是平原地區相應值的1.25倍[2]。電暈和絕緣強度是從絕緣方面對電力變壓器的影響，溫升是從散熱方面對電力變壓器的影響。

1.3絕緣和散熱對電力變壓器結構的影響

絕緣和散熱是影響電力變壓器在高海拔地區正常運行的兩大重要因素。

（1）絕緣。外絕緣為空氣絕緣及設備固體絕緣的外露表面，它承受電壓作用并直接受大氣和其他外部條件的影響3。電力變壓器的外絕緣由空氣間隙和套管（絕緣子）構成。經前面分析可知，隨著海拔增加，空氣逐漸稀薄，空氣密度下降，外絕緣放電電壓也會相應降低。為了增大空氣間隙，電力變壓器中的不同電壓等級的繞組之間，繞組對油箱、繞組對鐵心以及異相繞組之間，由于要承受較高的運行電壓，要增大它們之間的距離。繞組內部的匝間絕緣、油道絕緣、層間絕緣、繞組端部間的絕緣和鐵軛的絕緣也要相應的增大增強。為了保證電力變壓器在高海拔地區使用時有足夠的耐擊穿能力，高海拔地區使用的套管需要增大干弧距離和爬電距離。干弧距離見下文油浸式電力變壓器外絕緣空氣間隙中最小空氣間隙分析。

爬電距離會隨海拔的增加而進行修正，按式（1）和式（2）計算：

λ^′=λ（1+K）

式中： λ^′ 一高海拔地區統一爬電比距，套管爬電距離與套管兩端最高運行電壓有效值的比值；λ-1000m 以下地區統一爬電比距，單位為 mm/ kV ： K 一特征指數，海拔每增加 500m ，增加 3%^∣ 4]

式中： L₀ 一套管的幾何爬電距離， mm ： U 一套管兩端承受的最高運行電壓， kV K_e —套管爬電距離的有效系數， K_e=1 。

（2）散熱。隨著電力變壓器主絕緣、縱絕緣、端絕緣5和套管尺寸的增加，電力變壓器的油箱尺寸也會相應增加，而且會隨海拔的升高而加大。電力變壓器油箱尺寸的增大，應采取有效的冷卻措施。高海拔電力變壓器在運行過程中，內部鐵芯、繞組和鋼結構會產生損耗，這些損耗將轉化為熱能使變壓器產生內在的溫升。由上文分析可知，太陽輻射會引起較大的外在附加溫升，同時空氣稀薄導致產品散熱困難，散熱問題顯得尤為重要。普通環境使用的電力變壓器，一般靠油箱散熱即可滿足要求，而高海拔地區使用的電力變壓器則應改變冷卻方法和冷卻方式。較小容量的電力變壓器，采用波紋油箱或在油箱上焊散熱片即可滿足散熱需求；較大容量的電力變壓器采用片式散熱器，通過增加片式散熱器的尺寸、組數和片數的方式來加強散熱；在變壓器安裝風扇或油泵類冷卻設備，使流經冷卻設備和繞組內部的液體流動由自然的熱對流循環（ON）轉換為強迫導向循環（OF或OD），外部冷卻介質的循環方式由自然熱對流（AN）變成強迫循環（AF）。

2 高海拔電力變壓器試驗差異

普通電力變壓器進行例行試驗、型式試驗和特殊試驗組合的全項試驗，技術參數和限值按相應的國家標準執行。油浸式電力變壓器和干式電力變壓器在外形結構、冷卻方式和絕緣類型等方面不同，高海拔環境對兩類變壓器影響的試驗項目也不同。高海拔電力變壓器試驗中溫升試驗、外絕緣空氣間隙測量和外施耐受電壓試驗限值需進行補充和相應的修正。

2.1溫升試驗

溫升試驗影響的是溫升限值，需對其進行修正。主要受安裝場所、試驗場所和變壓器外部冷卻介質循環方式的影響。（1）對于油浸式電力變壓器：如果安裝場所的海拔高于 1000m ，而試驗場所的海拔低于 1000m 時，則試驗時按GB/T1094.2—2013允許的溫升限值進行如下修正：1）對于自然熱對流循環冷卻方式的變壓器，頂層液體溫升、繞組平均溫升和繞組熱點溫升限值應按安裝場所的海拔高于 1000m 的部分，每增加 400m 時降低1K；2）對于強迫循環冷卻方式的變壓器，則應按安裝場所的海拔高于 1000m 的部分，每增加 250m 時降低1 K^[6] 。一臺型號為SZ20-10000/35油浸式電力變壓器，安裝場所海拔大于 1000m ，在低于 1000m 試驗場所進行試驗，自然熱對流循環冷卻方式。對其溫升限值進行修正：標準限值-（安裝場所海拔- -1000m ）） /400m= 修正后限值。

（2）對于干式電力變壓器，當所設計的變壓器是在海拔大于 1000m 處運行，而其試驗卻在正常海拔處進行時，則GB/T1094.11—2022標準給出的限值應根據運行地點的海拔超過 1000m 的部分，以每100m 為一級，按不同冷卻方式進行修正：1）對于自然熱對流循環冷卻方式的變壓器為降低 0.5% ，2）對于強迫循環冷卻方式的變壓器為降低 1% 。一臺型號為SC18-5000/35干式電力變壓器，自然熱對流循環冷卻方式，安裝場所海拔大于 1000m ，在低于 1000m 試驗場所進行試驗。對其溫升限值進行修正：標準限值-（安裝場所高度 -1000m ）/100m× （標準限值 ×0.5% ）） Σ=Σ 修正后限值。

對于兩類電力變壓器，如果試驗場所的海拔大于 1000m ，而安裝場所的海拔低于 1000m 時，則進行相應的逆修正。受此影響做的修正限值，應取最接近溫升的整數。

2.2外絕緣空氣間隙測量

對于油浸式電力變壓器，GB/T1094.3—2017標準對于絕緣試驗要求僅適用于內絕緣。如果沒有特別要求，高海拔油浸式電力變壓器進行全項試驗時僅可補充外絕緣空氣間隙測量。按GB/T1094.3—2017標準中第16章外絕緣空氣間隙執行。外絕緣空氣間隙是指套管端子金屬部件之間及其與變壓器部件之間的不穿過套管絕緣子的最短直線距離[。當油浸式電力變壓器是在海拔高于 1000m 的地區運行，則所需的最小空氣間隙應按每增加 100m （大于 1000m 海拔的部分），增加正常海拔下的空氣間隙值的 1% 。一臺額定電壓為 35kV 油浸式電力變壓器，安裝場所海拔 ?3000m ，對其外絕緣空氣間隙限值進行修正：標準最小空氣間隙 + （安裝場所海拔 -1000m ） /100m× （標準最小空氣間隙 ×1% ） Σ=Σ 修正后限值。對于干式電力變壓器，僅需進行修正限值后的外施耐受電壓試驗，無需此項目。

2.3外施耐受電壓試驗

對于干式電力變壓器，當變壓器被規定在海拔為 1000m～4500m 運行，但試驗在另一個海拔處進行時，試驗電壓值應乘以系數 T_ef （試驗地點海拔修正系數與安裝地點海拔修正系數的比值）[8]。對于油浸式電力變壓器，此項目則無需修正。

3結語

通過對當前大環境的分析，結合工作中對高海拔用電力變壓器結構和試驗的研究，本研究詳細介紹了高海拔環境對電力變壓器結構的影響和試驗中的差異。本研究仍存在一些局限性和不足之處，需進一步改進和完善。希望在日后能為相關領域的發展和創新貢獻更多的理論和實踐成果。

參考文獻

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[2]全國高原電工產品環境技術標準化技術委員會.特殊環境條件高原電工電子產品第1部分：通用技術要求：GB/T20626.1—2017[S].北京：中國標準出版社，2017.

[3]全國高電壓試驗技術和絕緣配合標準化技術委員會.高電壓試驗技術第1部分：一般定義及試驗要求：GB/T16927.1—2011[S].北京：中國標準出版社，2012.

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[5]胡啟凡.變壓器試驗技術[M].北京：中國電力出版社，2010.

[6]全國變壓器標準化技術委員會.電力變壓器第2部分：液浸式變壓器的溫升：GB/T1094.2—2013[S].北京：中國標準出版社，2013.

[7]全國變壓器標準化技術委員會.電力變壓器第3部分：絕緣水平、絕緣試驗和外絕緣空氣間隙：GB/T1094.3—2017[S].北京：中國標準出版社，2017

[8]全國變壓器標準化技術委員會.電力變壓器第11部分：干式變壓器：GB/T1094.11—2022[S].北京：中國標準出版社，2022.

作者簡介

魏秀秀，通信作者，本科，工程師，研究方向為電氣產品質量與檢驗。

（責任編輯：袁文靜）